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As membranas de nanofibras de aramida (ANF) possuem amplas perspectivas de aplicação em diversos campos, devido às suas propriedades únicas. No entanto, como melhorar ainda mais a sua resistência mecânica enquanto se reduz a condutividade térmica tem se tornado um foco atual de pesquisa e um grande desafio nessa área. Métodos tradicionais apresentam limitações claras na construção de redes de ligações de hidrogênio fortes para melhorar o desempenho das membranas ANF; portanto, existe uma urgente necessidade de novas estratégias para otimizar a estrutura e o desempenho dessas membranas.
Demonstra o processo de preparação dos pAMNFs (o processo de desprotonação dos pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs), apresenta a comparação entre a estrutura de ligação de hidrogênio bidimensional planar dos pANFs e a estrutura de ligação de hidrogênio tridimensional dos pAMNFs, identifica o "quadro 'selva' das nanofibras" e o associa ao diagrama relevante da Resistência Mecânica.
l Estratégia Principal: Introduzir uma estratégia de "dupla desprotonação" para tratar nanofibras de aramida (ANFs, na sigla em inglês) visando à construção de uma rede tridimensional de ligações de hidrogênio.
A Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FT-IR, na sigla em inglês) e a Espectroscopia de Fotoelétrons Induzidos por Raios X (XPS, na sigla em inglês) são utilizadas para analisar a estrutura química superficial das fibras e verificar as alterações nos grupos funcionais polares.
A Microscopia de Força Atômica (AFM, na sigla em inglês) e a Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM, na sigla em inglês) são empregadas para observar a microtopografia das fibras e membranas, visando compreender a otimização estrutural.
l Testes de Desempenho:
Uma máquina universal de testes é utilizada para testar indicadores de desempenho mecânico de membranas, como resistência à tração e módulo de elasticidade. Um medidor de condutividade térmica a laser é aplicado para medir a condutividade térmica das membranas e avaliar seu desempenho de isolamento térmico.
Inclui imagens do sensor de altura de microscopia de força atômica (AFM), com dados de altura em diferentes posições indicados (6,2 nm, 14,8 nm, 47,9 nm, etc.), imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) (comparação da micromorfologia entre pANFs e pAMNFs-30 na escala de 500 nm), curvas de distribuição do tamanho dos poros em relação à pressão relativa e curvas de distribuição do tamanho dos poros em relação ao volume dos poros, baseadas no método Barrett-Joyner-Halenda (BJH), demonstrando as diferenças na microestrutura dos filmes finos antes e após o tratamento.
Uma rede de ligações de hidrogênio tridimensional foi construída com sucesso. O efeito de dupla desprotonação gerou mais grupos polares na superfície das nanofibras de aramida (ANFs), criando condições favoráveis à formação de uma rede de ligações de hidrogênio tridimensional entre as fibras. Os resultados dos testes de Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FT-IR) e Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios X (XPS) mostraram que o número de grupos funcionais polares na superfície da fibra aumentou significativamente após o tratamento, fornecendo mais sítios ativos para a formação de ligações de hidrogênio e, consequentemente, levando à construção bem-sucedida de uma rede de ligações de hidrogênio tridimensional estável.
Apresenta múltiplos conjuntos de gráficos de propriedades mecânicas: curvas de tensão-deformação à tração (comparando pANFs com pAMNFs de diferentes teores de PMIA), um gráfico da relação entre o teor de PMIA e as propriedades em pAMNFs, curvas do efeito da temperatura na resistência/tenacidade e um diagrama esquemático da transferência de carga interfacial entre pANFs e pAMNFs-30, demonstrando intuitivamente o efeito de melhoria nas propriedades mecânicas.
As Propriedades Mecânicas São Significativamente Aperfeiçoadas.
Beneficiando do efeito de suporte da rede de ligações de hidrogênio tridimensional, as propriedades mecânicas da membrana de nanofibra de aramida (ANF) foram significativamente melhoradas. Dados experimentais mostram que, em comparação com a membrana de nanofibra de aramida não tratada, a resistência à tração da membrana composta (pAMNFs) após o tratamento de dupla desprotonação pode aumentar várias vezes, e o módulo de elasticidade também é significativamente aprimorado, conferindo a ela uma vantagem competitiva ainda maior em cenários de aplicação de materiais de alta resistência.
Inclui espectros de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR) (com posições de picos característicos, como dobradiça N-H, alongamento C=O⋅⋅⋅H e alongamento N-H rotulados), espectros de energia de ligação da órbita C 1s da espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS), curvas da função de distribuição de distância das ligações de hidrogênio e curvas de duração da ligação de hidrogênio versus tempo, verificando as mudanças na estrutura química e o fortalecimento da interação de ligação de hidrogênio após a dupla desprotonação.
A Condutividade Térmica É Acentuadamente Reduzida.
A presença da rede tridimensional de ligações de hidrogênio exerce um efeito de impedimento evidente na transferência de calor, resultando em uma redução significativa na condutividade térmica da membrana composta (pAMNFs). Os resultados dos testes mostram que a condutividade térmica desta membrana pode ser reduzida a um nível extremamente baixo, demonstrando excelente desempenho de isolamento térmico e apresentando bom potencial de aplicação no campo dos materiais isolantes térmicos.
Otimização da Microestrutura
Imagens capturadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e Microscopia de Força Atômica (AFM) mostram que, após o tratamento de dupla desprotonação, as fibras nanofibras de aramida (ANFs) na membrana estão dispostas de maneira mais regular e a ligação entre as fibras é mais forte, formando uma microestrutura uniforme e densa. Essa otimização estrutural é uma das razões importantes para a melhoria da resistência mecânica da película e a redução de sua condutividade térmica.
Apresenta curvas de módulo de armazenamento/módulo de perda em função da temperatura, gráficos comparativos de condutividade térmica (a condutividade térmica dos pAMNFs-30 é tão baixa quanto 0,0626 W·m⁻¹·K⁻¹), curvas de análise termogravimétrica (TG), gráficos comparativos de resistência específica versus tenacidade de diferentes materiais e comparações das alterações de desempenho entre pAMNFs-30 e pANFs ao longo de diferentes períodos de tempo, demonstrando de forma abrangente as vantagens mecânicas e térmicas do filme fino.
A estratégia de "dupla desprotonação" proposta neste estudo constrói com sucesso uma rede de ligações de hidrogênio tridimensional nas membranas de nanofibras de aramida (ANF). Isso não apenas melhora efetivamente a resistência mecânica das membranas, mas também reduz significativamente sua condutividade térmica. O método destaca-se pela operação simples e pelos efeitos notáveis, oferecendo uma nova abordagem para a otimização do desempenho dos materiais de nanofibras de aramida. No futuro, espera-se que esta membrana composta de alto desempenho (pAMNFs) seja amplamente aplicada em diversos campos, como aeroespacial, dissipação de calor em dispositivos eletrônicos e materiais compósitos de alto desempenho, impulsionando assim o desenvolvimento tecnológico dos setores relacionados.
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